我國航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望

楊艷陽

(中國航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心 北京 101300)

航空復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展大致經(jīng)歷了3 個階段，即在次承力結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用、向主承力結(jié)構(gòu)發(fā)展以及在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的規(guī)?；瘧?yīng)用。復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)是隨著設(shè)計、材料、工藝、設(shè)備、檢驗技術(shù)的不斷成熟逐漸在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行驗證應(yīng)用的，最開始是復(fù)合材料整流罩和活動翼面等次承力或非承力構(gòu)件，但隨著復(fù)合材料用量需求的增多，技術(shù)成熟度及產(chǎn)品性能的逐步提高，其應(yīng)用部位已擴(kuò)展到了主承力構(gòu)件，并得到充分考核驗證，為復(fù)合材料更廣泛的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。波音787 飛機(jī)首次大規(guī)模使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著“航空復(fù)合材料”的飛機(jī)時代已經(jīng)開啟，復(fù)合材料已經(jīng)成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)減重的首選材料，其在大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已提升到50%以上[1-2]。

1 我國航空復(fù)合材料發(fā)展歷程

我國航空復(fù)合材料技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，在航空裝備研制需求的牽引下，航空工業(yè)部門組織開展復(fù)合材料及其相關(guān)技術(shù)研究，開啟了我國航空復(fù)合材料發(fā)展歷程，并初步建立了專業(yè)和技術(shù)基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代起，以碳纖維復(fù)合材料為標(biāo)志，開展了原材料（含樹脂基體和增強(qiáng)纖維）、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、連接裝配、檢測等關(guān)鍵技術(shù)研究，并在航空產(chǎn)品上得到初步應(yīng)用，帶動了復(fù)合材料專業(yè)技術(shù)的全面發(fā)展。2000年以后，隨著我國航空裝備的高速發(fā)展，高性能、多功能航空復(fù)合材料，大型復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)，先進(jìn)的復(fù)合材料工藝裝備工程應(yīng)用等重大關(guān)鍵技術(shù)研究取得了顯著的成果，實現(xiàn)了航空復(fù)合材料產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)，已基本形成航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)。

2 航空復(fù)合材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)格局

目前，航空復(fù)合材料按增強(qiáng)基體可分為樹脂基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料，其中樹脂基復(fù)合材料是目前航空復(fù)合材料家族中應(yīng)用量最大、技術(shù)成熟的材料，廣泛應(yīng)用于民機(jī)、軍機(jī)、發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，對推動航空裝備升級換代起到關(guān)鍵作用。航空復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)水平與各國政治、經(jīng)濟(jì)、國防技術(shù)發(fā)展水平相關(guān)，其最初的推廣應(yīng)用者和目前的最高水平代表仍然是美國，由NASA主導(dǎo)并推動，其次是歐盟、日本。國外的航空復(fù)合材料在飛機(jī)（包括航空發(fā)動機(jī)）上已經(jīng)實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，材料體系、制造技術(shù)和工藝裝備的發(fā)展日趨成熟。該文主要針對高性能樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)市場展開研究。

2.1 國外航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

航空飛行器主要要求樹脂基復(fù)合材料具有高耐濕熱性能、優(yōu)異的工藝性和高抗沖擊韌性等特點。航空樹脂基復(fù)合材料已經(jīng)歷了3個代次的發(fā)展，T800纖維/第三代高韌性樹脂已用于復(fù)合材料機(jī)翼，CAI 值達(dá)到368 MPa，微納米增韌成為未來研究方向；聚酰亞胺樹脂長期使用溫度已從316 ℃提升到370 ℃，并發(fā)展了第四代400 ℃以上的樹脂體系。

在增強(qiáng)材料方面，各國已經(jīng)開發(fā)出若干類用于結(jié)構(gòu)材料的聚丙烯腈碳纖維，以東麗碳纖維為例，其產(chǎn)品主要有T（T300、T400、T700、T800、T1000）、M（M30、M35、M40、M46、M50、M55、M60）和MJ（M35J、M40J、M46J、M50J、M55J、M60J、M70J）這3 個系列的碳纖維。未來碳纖維將朝更高模量、更高強(qiáng)度碳纖維，多功能及低成本（大絲束）技術(shù)方向發(fā)展。

在基體材料方面，雙馬樹脂、環(huán)氧樹脂是航空樹脂基復(fù)合材料最常用的兩種基體材料，廣泛應(yīng)用于大型飛機(jī)、直升飛機(jī)、通用航空和殲擊機(jī)等飛行器。為提高樹脂基復(fù)合材料的韌性，樹脂基體經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)韌性、中等韌性、高韌性和超高韌性的發(fā)展過程。第三代超高韌性樹脂基復(fù)合材料的CAI 已經(jīng)達(dá)到315 MPa 以上，主要包括覆蓋中溫、中高溫的5260/IM7、5276-1/IM7、8551-7/IM7、977-1/IM7 和3900-2/T800等復(fù)合材料體系。

國外在研究具有高韌性復(fù)合材料的同時，也非常注重保持或提高其耐熱性能。不僅發(fā)展了擁有成熟商品的雙馬樹脂體系（如5245C、5250-2、5250-3、5250-4、5260、5270-1、F650、F652、F655、M65、XU292、V391等），還發(fā)展了低成本RTM雙馬樹脂，包括索爾維公司（氰特被收購后，所有業(yè)務(wù)并入索爾維）的CYCOM 5250-4RTM 和CYCOM 5270-1 RTM（長期使用溫度232 ℃），以及赫氏公司的RTM650、RTM651 雙馬RTM樹脂體系。

此外，聚酰亞胺樹脂（使用溫度為288 ℃～316℃）已成為航空發(fā)動機(jī)和高溫飛機(jī)上應(yīng)用最廣泛的航空復(fù)合材料基體。有研究人員已開發(fā)了耐溫426 ℃～500 ℃的第四代聚酰亞胺樹脂（P2SI900HT）和可RTM工藝成型的苯乙炔苯酐（4-PEPA）封端聚酰亞胺樹脂基體（PETI-298、PETI-330、PETI-375），進(jìn)一步提高了聚酰亞胺復(fù)合材料的耐熱特性。隨著未來材料基因組技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)及無機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)的工藝及性能特點將得以融合，耐500 ℃以上，甚至600 ℃高溫樹脂基復(fù)合材料不再是夢想，樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至足以覆蓋鈦合金材料的使用溫度范圍，進(jìn)一步減輕航空裝備的結(jié)構(gòu)重量[3-4]。

2.2 國外航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)格局

從全球市場分布來看，航空復(fù)合材料在北美市場占比約為58%，在歐洲市場占比為38%，亞太地區(qū)僅占市場份額的4%～5%。

美國是全球復(fù)合材料技術(shù)最先進(jìn)，產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家，擁有完整的航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈和全球領(lǐng)先的廠商。以赫氏公司為代表的碳纖維生產(chǎn)商占據(jù)了產(chǎn)業(yè)鏈中上游，擁有25%的航空碳纖維市場份額，40%的碳纖維預(yù)浸料市場份額和28%的玻璃纖維預(yù)浸料市場份額。以波音公司為代表的飛機(jī)制造商作為產(chǎn)業(yè)鏈的末端，占據(jù)了20%航空復(fù)合材料市場份額。

歐洲復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家主要有英國、法國、德國、西班牙和意大利5個國家。這5個國家分擔(dān)了全歐洲1/3 以上的復(fù)合材料產(chǎn)量。最具代表的碳纖維廠商是索爾維公司，其不僅擁有15%的航空碳纖維市場份額，還與赫氏公司擁有同樣的碳纖維預(yù)浸料市場份額（40%），在玻璃纖維預(yù)浸料市場上占據(jù)了21%的份額。空客公司是歐洲航空復(fù)合材料市場最大的應(yīng)用型廠商，同樣占據(jù)了全球航空復(fù)合材料市場份額的20%。

亞太地區(qū)復(fù)合材料市場占比相對較低，以日本東麗、帝人和三菱麗陽為代表的碳纖維廠家占據(jù)了全世界超過一半的碳纖維市場份額。日本研發(fā)生產(chǎn)的碳纖維無論是在品種、工藝、產(chǎn)量，還是質(zhì)量方面都位居全球領(lǐng)先地位，研發(fā)的高強(qiáng)高模碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域構(gòu)成了寡頭壟斷[5]。

2.3 國內(nèi)航空復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國航空復(fù)合材料技術(shù)已初具規(guī)模，開始進(jìn)入較大比例應(yīng)用的階段，雖然距離國際頂尖水平仍有一定的差距，但已初步形成了航空復(fù)合材料設(shè)計、研發(fā)、制造、檢測等技術(shù)和工藝裝備體系，擁有先進(jìn)的航空復(fù)合材料研發(fā)和生產(chǎn)基地。

經(jīng)過多年發(fā)展，我國高性能樹脂基復(fù)合材料技術(shù)已取得巨大突破。在增強(qiáng)材料方面，國產(chǎn)T300級碳纖維已實現(xiàn)了千噸級產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，其復(fù)合材料性能達(dá)到東麗同等水平，完全實現(xiàn)了航空航天用T300級碳纖維的自主保障；國產(chǎn)T700 級碳纖維實現(xiàn)了百噸級批產(chǎn)，并已實現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用等；國產(chǎn)T800級碳纖維關(guān)鍵制備技術(shù)已取得突破，主要力學(xué)性能接近東麗T800 碳纖維，建成了多條T800級碳纖維生產(chǎn)線，已實現(xiàn)百噸級穩(wěn)定性生產(chǎn)，為應(yīng)用驗證奠定了良好的基礎(chǔ)。在樹脂基體方面，航空工業(yè)復(fù)材研發(fā)的國產(chǎn)T800級碳纖維增強(qiáng)高韌性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料CAI 值（330MPa）已達(dá)到第三代韌性復(fù)合材料的水平。第三代聚酰亞胺樹脂體系的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破了，并得到了考核驗證[6]。

2.4 國內(nèi)航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)格局

我國不僅具備完整的航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈，在國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策和龍頭企業(yè)的帶領(lǐng)下，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均已貫通，實現(xiàn)了以國產(chǎn)T300和T700為代表的國產(chǎn)碳纖維原材料到產(chǎn)品裝機(jī)應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈大協(xié)同發(fā)展格局。從產(chǎn)業(yè)鏈布局看，有以威海拓展、中簡科技為代表，服務(wù)于航空應(yīng)用的碳纖維企業(yè)；有以航空工業(yè)復(fù)材為代表，服務(wù)于航空整機(jī)制造廠的先進(jìn)樹脂及預(yù)浸料及構(gòu)件產(chǎn)品企業(yè)；有以中國商飛為代表，航空復(fù)合材料產(chǎn)品應(yīng)用型廠商，正合力推動著我國航空復(fù)合材料飛速發(fā)展。

3 航空復(fù)合材料市場分析

充分利用航空復(fù)合材料是實現(xiàn)飛機(jī)輕量化的重要途徑之一，民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用量已超過50%，無人機(jī)已實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)用量100%。未來航空復(fù)合材料在航空飛行器上的用量會繼續(xù)增加，而且這一增加趨勢將是長久和持續(xù)的。

預(yù)計到2035 年世界航空航天復(fù)合材料市場規(guī)模將達(dá)到500億美元，其中民航產(chǎn)業(yè)占比達(dá)到60%，軍用產(chǎn)業(yè)占比達(dá)到30%，航天產(chǎn)業(yè)將占10%。北美仍將是最大的市場，預(yù)計市場份額將占全球總市場的40%～45%。亞太地區(qū)受地緣政治影響，以及中、印等國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動，其航空復(fù)合材料市場將會超越歐洲成為全球第二大市場。

4 我國航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向

經(jīng)過近40年的發(fā)展，國內(nèi)航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)正逐步縮小與國際領(lǐng)先企業(yè)的差距，國產(chǎn)寬體客機(jī)C919復(fù)合材料用量約為12%，CR929預(yù)計要達(dá)到50%以上，這將成為國內(nèi)航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，改變航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局的重要契機(jī)[7]。

4.1 大數(shù)據(jù)將改變傳統(tǒng)的發(fā)展模式

隨著大數(shù)據(jù)在社會經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，云計算、3D技術(shù)、人機(jī)交互、智能工廠等技術(shù)逐漸成熟應(yīng)用，勢必引發(fā)新一輪工業(yè)革命，航空復(fù)合材料的研發(fā)、生產(chǎn)和商業(yè)模式都將借助信息技術(shù)插上騰飛的翅膀，加快從實驗室走向更廣闊應(yīng)用領(lǐng)域的步伐。

4.1.1 研發(fā)模式向數(shù)據(jù)化轉(zhuǎn)變

隨著航空復(fù)合材料應(yīng)用越來越廣泛，材料品種也越來越多，新品種層出不窮，原來由科學(xué)家封閉在實驗室研究的模式會漸漸向標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、共享化轉(zhuǎn)變。隨著大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)的出現(xiàn)，未來計算機(jī)可以迅速在虛擬環(huán)境仿真人幾百年都做不完的試驗，并快速從中選出最適合自己個性化需求的材料配方、工藝等數(shù)據(jù)。

4.1.2 生產(chǎn)模式向智能化轉(zhuǎn)變

隨著航空復(fù)合材料研發(fā)方式的轉(zhuǎn)變，設(shè)計制造一體化技術(shù)會將實驗室與工廠無縫連接，實現(xiàn)跨企業(yè)、跨域協(xié)同設(shè)計制造；人機(jī)交互、智能工廠將不斷涌現(xiàn)，航空復(fù)合材料柔性化制造能力將更加凸顯，能夠比其他材料做到快速響應(yīng)市場個性化需求。

4.1.3 商業(yè)模式向平臺化轉(zhuǎn)變

智能、共享、快速的電商平臺發(fā)展理念必然會推動航空復(fù)合材料商業(yè)模式轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)與電商平臺類似的共享平臺，以技術(shù)共享、研究成果共享、產(chǎn)品共享等多種方式，實現(xiàn)開放協(xié)同的產(chǎn)業(yè)鏈資本流轉(zhuǎn)[8-9]。

4.2 產(chǎn)業(yè)體系和準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)將更加完善

隨著應(yīng)用領(lǐng)域和市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，航空復(fù)合材料的行業(yè)規(guī)范、材料認(rèn)證、檢測、失效分析等基礎(chǔ)性、精細(xì)化要求越來越高，國內(nèi)航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)體系將逐步與國際接軌，建立航空復(fù)合材料設(shè)計、制造、材料、檢驗、維修、裝配體系，形成專業(yè)數(shù)據(jù)庫、專利、技術(shù)秘密涵蓋各種設(shè)計數(shù)據(jù)、制造工藝文件、材料性能手冊、維修保養(yǎng)手冊、裝配技術(shù)文件，有效促進(jìn)航空復(fù)合材料研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，支持航空復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新及可持續(xù)發(fā)展，逐步形成統(tǒng)一行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，使工藝評價及鑒定認(rèn)證體系將更加完備，促進(jìn)航空復(fù)合材料供應(yīng)鏈現(xiàn)代化和產(chǎn)業(yè)鏈高級化發(fā)展。

4.3 產(chǎn)業(yè)鏈更加成熟完備

未來中國航空市場巨大，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢資源將更加集中，形成了從上游原絲制造到下游復(fù)合材料制品設(shè)計制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)航空復(fù)合材料企業(yè)憑借其對原材料透徹深入的了解、精湛的復(fù)合材料制造技術(shù)以及廣泛的應(yīng)用和工程技能融入國際市場，同時以其航空技術(shù)與產(chǎn)業(yè)能力優(yōu)勢發(fā)揮產(chǎn)業(yè)溢出效應(yīng)，進(jìn)一步拓展非航市場應(yīng)用的深度和廣度，構(gòu)建更高質(zhì)量、更高效率、更加公平、更可持續(xù)的新發(fā)展格局，形成國內(nèi)航空復(fù)合材料行業(yè)有序競爭、互利合作的良好生態(tài)圈，融入國際產(chǎn)業(yè)鏈。